三維激光掃描技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件預拼裝中的應用

張玉磊，孔 磊，張 偉，周 鵬，王一峰（中建鋼構(gòu)有限公司，上海 518040 )

1 構(gòu)件現(xiàn)場實體預拼裝

在鋼結(jié)構(gòu)制作中，構(gòu)件現(xiàn)場實體預拼裝的方法是根據(jù)設計提供的構(gòu)件實體模型進行胎架位置及胎架形式的設定，繪制胎架工藝布置圖，待所有構(gòu)件全部加工合格完成后，再運輸?shù)筋A拼裝場地，按照拼裝順序?qū)?gòu)件依次吊上胎架。在這一過程中，需要對構(gòu)件端口的各個控制點進行坐標系復核。復核無誤后將各榀桁架端口用連接板和栓釘進行試穿固定，檢查各個端口的對接縫和錯邊是否符合規(guī)范要求。如偏差較大，應做適當修改和調(diào)整，直至滿足復核要求。這種傳統(tǒng)的實體預拼裝，要求構(gòu)件提前制作完成，否則會影響預拼裝周期。預拼過程中人員、材料、起重設備、場地等缺一不可，并且耗時耗力。

2 計算機模擬預拼裝

計算機模擬預拼裝原理是采用鋼結(jié)構(gòu)三維深化設計軟件Tekla Structures 構(gòu)建三維理論模型，對加工完成的實體構(gòu)件進行各控制點三維坐標值測量，用測量數(shù)據(jù)在計算機中構(gòu)造實測模型，并進行模擬拼裝，通過測量的模擬預拼裝與理論模型進行擬合比對，檢查拼裝干涉和分析拼裝精度，得到構(gòu)件加工所需要修改的調(diào)整信息。

這種模擬拼裝方法必須在構(gòu)件全部制作完成后，對每個構(gòu)件控制點采用全站儀進行坐標數(shù)據(jù)收集，期間至少要安排2 人、1 臺測量設備投入測量工作，耗時耗力。雖然相對實體預拼裝工作量減小了不少，但后續(xù)數(shù)據(jù)處理信息反饋工作量增加，如構(gòu)件偏差太大，則修改構(gòu)件的時間也隨之加長，對構(gòu)件加工周期是有影響的。典型構(gòu)件三維理論模型，見圖1。

圖1 典型構(gòu)件三維理論模型

3 三維數(shù)字模擬預拼裝

三維數(shù)字模擬預拼裝是利用三維激光掃描儀獲取鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的數(shù)字模型，結(jié)合三維理論模型，通過 Cyclone、Qualify、CAD 等軟件協(xié)作，最終在計算機中完成預拼裝。

三維激光掃描形成的模型為點云模型。在掃描儀鏡頭橫向與縱向旋轉(zhuǎn)過程中，發(fā)出與接收激光束，記錄每道激光束所獲取點的數(shù)據(jù)，從而形成點云模型，并通過拼接、擬合、降噪、處理，形成所需構(gòu)件的三維數(shù)字模型。

三維數(shù)字模擬預拼裝分為外業(yè)掃描與數(shù)據(jù)處理。外業(yè)掃描主要是通過三維激光掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)，并利用點云數(shù)據(jù)進行逆向建模。預拼裝過程中，首先需要確定構(gòu)件受控制的關鍵點。例如在機場的桁架中，螺栓孔的誤差需控制在2 mm 以內(nèi)。在通過三維激光掃描儀進行外業(yè)掃描時，對這些需要注重的部位做特殊標記，將之作為測量特征點。將打印的標準標靶，粘貼于測量特征點位置，以便三維激光掃描儀更準確地獲取測量特征點。測量特征點的設置，見圖2 。

圖2 測量標記點

在三維數(shù)字模擬預拼裝的數(shù)據(jù)處理過程中，首先需要在CAD 模型中找出關鍵點坐標，接著利用 Cyclone 軟件，依次將所需預拼裝的構(gòu)件掃描模型，按照關鍵點坐標所在的坐標系導入軟件中。這樣就在 Cyclone 中完成了三維數(shù)字模擬預拼裝。在完成的三維數(shù)字模擬預拼裝模型中，分析每兩個構(gòu)件連接部位的偏差，考察其是否在允許范圍內(nèi)。如果在允許范圍內(nèi)，即完成了三維數(shù)字模擬預拼裝。

4 效益對比

以上述典型構(gòu)件為例，從時間、勞動力與費用 3個方面，對三維數(shù)字模擬預拼裝與現(xiàn)場實體預拼裝的效益進行對比，見圖3、圖4、圖5?！澳M預拼裝”）除前期一次性設備投入外，在預拼裝過程中不再需要其他投入，對場地、起重設備無要求，并且降低了操作人員的數(shù)量，減少了拼裝時間。

圖3 時間對比

圖4 勞動力對比

圖5 費用對比

5 結(jié) 語

在鋼結(jié)構(gòu)制作行業(yè)中使用三維激光掃描技術(shù)，可以快速準確地生成點云模型，形成所需構(gòu)件的三維數(shù)字模型。結(jié)合計算機三維數(shù)字模擬預拼裝技術(shù)，可以在電腦中完成模擬拼裝，并及時反饋構(gòu)件偏差信息，指導拼裝作業(yè)。三維數(shù)字模擬預拼裝技術(shù)可以大大提高施工生產(chǎn)效率，節(jié)約時間、勞動力和費用成本。